当前，随着智能手机的产品创新逐渐走弱，以及市场容量逐渐接近饱和，智能可穿戴电子设备成为了智能终端产业的新热点。

其中，柔性可穿戴电子设备，便是该领域内的前沿研究方向之一。

但是，由于柔性可穿戴电子设备的设计和功能，一直受能量来源和所用材料的影响，市面上并没有出现太多令人惊艳的产品。

如果我们可以“扔掉”笨重的电池，利用自身能量为可穿戴电子设备供电，是不是很酷炫？

如今，这一想法或许正在成为事实。

近日，来自新加坡南洋理工大学和清华大学的科研团队，就联合开发出了一种可伸缩的防水“织物”，这种织物可以将人类身体运动产生的能量直接转化为电能。

在一项概念验证实验中，研究团队在一块 3 cm*4 cm 的实验材料上轻敲，产生的电能足以点亮 100 个 LED 灯。

而且，经洗涤、折叠和褶皱后，织物的性能也不会出现下降，甚至可以在长达 5 个月的时间内，保持稳定的电力输出。

研究团队认为，这一新型织物具备成为智能纺织品和可穿戴电源的潜力。

相关研究论文以“Stretchable, Breathable, and Stable Lead-Free Perovskite/Polymer Nanofiber Composite for Hybrid Triboelectric and Piezoelectric Energy Harvesting”为题，已发表在科学期刊 Advanced Materials 上。

一种新的替代能源

新型织物是一种能量收集装置，它能将人类日常生活中由最微小的身体运动产生的振动转化为电能。

据论文描述，这种织物的一个关键成分是一种聚合物，当被压制或挤压时，这种聚合物能将机械应力转化为电能。

新型织物由可伸缩的氨纶（spandex）作为基础层，且与类似橡胶的材料集成，以保持它的坚固、柔韧性和防水性。

“人们曾多次尝试开发可以从运动中获取能量的面料或服装，但一个巨大的挑战是，如何保证它们被多次洗涤后功能不会退化、同时又能保持良好的电力输出。” 论文的通讯作者、南洋理工大学教授 Lee Pooi See 表示。

在此次工作中，研究团队证实，原型织物在被洗涤和揉皱后仍然可以很好地工作，可以编织在 T 恤上或集成到鞋底，从人体最小的动作中收集能量，将电力输送到移动设备。

新型织物通过两种方式发电：当它因被按压（pressed）或压扁（squashed）而出现压电现象（piezoelectricity）时，以及当它与其他材料（比如皮肤或橡胶手套）摩擦产生摩擦电效应时。

为了制造这一原型织物，科学家们首先通过丝网印刷一种由银和苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯（SEBS）组成的“墨水”，制造出一种可拉伸的电极。

然后，这个可拉伸的电极被连接到一块纳米纤维织物上，其组成成分分别为 PVDF-HPF（一种在压缩、弯曲或拉伸时产生电荷的聚合物）和无铅钙钛矿（一种在太阳能电池和 LED 领域很有前途的材料）。

研究团队表示，在 PVDF-HPF 中嵌入钙钛矿可以增加原型织物的电输出能力，而且无铅钙钛矿是一种更环保的选择。PVDF-HPF 不仅赋予钙钛矿特殊的机械耐久性和灵活性，也对钙钛矿起到了额外的保护层，增加了其机械性能和稳定性。

再也不需要电池了？

为了演示他们的原型织物是如何工作的，研究团队展示了一只手在一块 3 cm*4 cm 的织物上连续轻敲，如何点亮 100 个 LED 灯，或为各种电容充电。

结果显示，新型织物表现出了良好的耐久性和稳定性——其电性能在洗涤、折叠和褶皱后不会恶化，它还继续产生连续稳定的电力输出长达 5 个月。

此外，新型织物可以被附着在胳膊、腿、手、肘部以及鞋垫上，利用人类一系列运动产生的能量，而且不会对运动产生影响。

“尽管电池容量有所提高，电力需求有所减少，可穿戴设备的电源仍然需要经常更换电池。我们的结果表明，我们的能量收集原型织物可以利用来自人类的振动能量，从而潜在地延长电池的寿命，甚至构建自供电系统。据我们所知，这是第一个基于钙钛矿的混合能源设备，它稳定、可拉伸、透气、防水，同时能够提供出色的电力输出性能。” Lee 表示。

当前，研究团队正在研究如何利用相同的织物来收集不同形式的能量。

目前，利用人体来充电的技术还有很多，我们也一起来看看吧！

人体充电界还有哪些黑科技？

1、微电网充电：3分钟内快速启动

去年8月份，国际权威学术期刊《自然通讯》披露一项新技术——可穿戴式电子纺织微电网，能从人体采集并储存能量，为小型电子产品供电。

这种微电网通过生物燃料电池、摩擦发电机收集生物化学和生物力学能量，并用超级电容来调节和储存，从而实现高效输出。

生物燃料电池中的乳酸酶，可以催化人体汗液中的乳酸进行氧化反应，从而产生电力。它通常置于人体胸部，最大限度地减少了弯曲和起皱变形，可有效提高能量收集率。

摩擦发电机则通过带相反电荷的材料摩擦来产生能量。带负电的材料通常位于人的外前臂，带正电的材料位于人体躯干两侧靠近腰部位置，行走或跑步时，手臂相对躯干摆动即会产生摩擦力。

生物燃料电池和摩擦发电机既独立又互补。一旦人体开始运动，摩擦发电机存储模块在瞬时运动中被激活，通过获取生物力学能量，快速启动系统；而随后激活的生物燃料电池，从汗液代谢物的酶促反应中获取生化能量。

超级电容就像一个大容量蓄水池，将生物燃料电池产生的连续低电压和摩擦发电机产生的高压脉冲暂存，根据需要输出恒压、充足的电力。

实验数据显示，整个系统可在3分钟内快速启动，为智能手表持续供电。

可穿戴式电子纺织微电网系统的成熟运用，将为智能头盔、智能作战服以及外骨骼系统等单兵可穿戴装备，提供高效率、长时段的能量保障。它不仅能降低士兵电池携带量，其柔软、轻便的特性，更能解决传统电池所带来的不便，大幅提升单兵综合作战能力。

研究人员表示，这只是可穿戴式电子纺织微电网的应用之一，后续将通过研究不同类型的能量收集器来调整系统，拓展适用人群与使用环境。该技术的持续开发，将为高效整合多重能源和未来穿戴设备的多重应用提供更多可能。

2、体温就能充电

研究人员认为，人体向环境白白耗散的热量，可以由热电设备转化为可利用的电能。

助听器是一种非常实用的小型设备，但它每两周就需要更换一次电池。更换电池不仅对老年人的精细运动技能提出了高要求，对其日渐衰弱的记忆力也是一大挑战。如果助听器能够脱离人工维护，完全自主工作，将对老年用户更加友好。

techxplore.com网站当地时间3月10日报道，由瑞士苏世黎联邦理工学院（ETHZ）衍生的Mithras科技公司或许已经找到了解决方案。公司创始人Franco Membrini和Moritz Thielen的想法很简单——将人体作为能量来源。

平均而言，人体持续辐射大约100瓦的热能，其中大部分被周围环境所吸收。Mithras公司希望用热电发电器（TEG），将这种被“浪费”的热量转化为电能。TEG一侧与身体接触，另一侧与环境接触，装置将两侧的温度差转化成电能，储存在电池中。即使温差低至一摄氏度，TEG也能产生无发射电流。

Mithras公司为TEG传感器的人体佩戴设计了两种方案：作为独立可穿戴设备或者集成到移动设备中。新技术在消费领域的潜在应用包括：通过集成TEG系统，实现完全自主功能的健身追踪器。

Membrini说：“不论你是在喝咖啡、锻炼还是睡觉，只要TEGs能‘利用’你的体温，电池就会自行充电。”

在开发阶段，Mithras公司必须克服诸多技术障碍：设备不仅需要尽可能紧凑、易用，还必须防水。只有符合所有标准的TEGs，才能封装到生物传感器等小型设备中。

这项技术听起来仿佛来自未来，其实早在1822年，Thomas Johann Seebeck就已经描述了热电效应现象。

他发现，只要将指南针放在两种不同温度的金属化合物附近，它就会自行移动。热-电转化现象后来也被称作“Seebeck效应”。

在成功完成种子期投资后，Mithras公司计划在2021年第四季度推出首款产品。在未来，他们希望将技术整合到助听器、胰岛素泵等医疗设备中。

“我们的技术有几十种潜在的应用场景。”Membrini说，“我们最初的关注重点是监测身体机能的生物传感器。这种结合智能贴片使用的产品，将是同类设备中第一款纯粹靠体温运行的‘异类’。”

参考资料：

1、https://www.ntu.edu.sg/news/detail/new-'fabric'-converts-motion-into-electricity

2、https://ersp.lib.whu.edu.cn/s/com/wiley/onlinelibrary/G.https/doi/10.1002/adma.202200042

3、https://www.reddit.com/r/science/comments/v5mlal/scientists_have_developed_a_stretchable_and/

4、https://www.sciencedaily.com/releases/2022/06/220603100146.htm

5、https://www.toutiao.com/article/7106726972641952268/?log_from=ad7068fc5d88c_1654670319872

6、https://www.toutiao.com/article/6993115145589228039/?channel=&source=search_tab

7、https://www.toutiao.com/article/6938666327502619144/?channel=&source=search_tab